سامانه مکانیابی جهانی (GPS): سیستم تعیین موقعیت با ماهوارهها
ماهوارههای چشمباز: بخش فضایی GPS
در قلب این سامانه، مجموعهای از ماهوارهها قرار دارند که مانند چشمهای بسیار دقیقی در آسمان میچرخند. این ماهوارهها در مداری حدود 20,200 کیلومتری از سطح زمین قرار گرفتهاند و هرکدام در مدت تقریبی 12 ساعت، یک دور کامل به دور زمین میزنند. آنها پیوسته سیگنالهای رادیویی حاوی اطلاعات مهمی مانند زمان دقیق ارسال سیگنال و موقعیت خود ماهواره را به سمت زمین میفرستند.
برای اینکه در هر نقطه از زمین و در هر ساعت از شبانهروز، بتوانیم به حداقل 4 ماهواره دسترسی داشته باشیم، این ماهوارهها در 6 مدار مختلف و با زاویهای خاص توزیع شدهاند. تصور کنید در حیاط مدرسه، 24 دوست دارید که همیشه حداقل 4 نفر از آنها را ببینید. شما آنها را طوری در نقاط مختلف حیاط میچینید که از هرجا که بایستید، دستکم 4 نفر در دید شما باشند. ماهوارههای GPS نیز دقیقاً به همین شکل آرایش یافتهاند.
| ویژگی | مقدار / توضیح | نکته |
|---|---|---|
| تعداد ماهوارههای فعال (حداقل) | 24 | برای پوشش جهانی لازم است. |
| تعداد کل ماهوارهها در مدار | بیش از 30 | برای پشتیبانی و جایگزینی ماهوارههای از کار افتاده. |
| ارتفاع از سطح زمین | 20,200 کیلومتر | مداری میانی، پایینتر از ماهوارههای مخابراتی. |
| دورِ کامل به دور زمین | 11 ساعت و 58 دقیقه | دقیق هر ماهواره روزی دو بار زمین را دور میزند. |
پایه ریاضی GPS: چگونه موقعیت محاسبه میشود؟
گیرنده GPS شما (مثلاً در تلفن همراه) با گوش دادن به سیگنالهای چند ماهواره، محل شما را پیدا میکند. کلید این کار، زمانسنجی فوقالعاده دقیق است. هر ماهواره یک ساعت اتمی بسیار دقیق دارد و زمان ارسال سیگنال را درون آن میفرستد. گیرنده زمان دریافت را ثبت میکند. با دانستن اینکه سیگنال با سرعت نور (حدود 300,000 کیلومتر بر ثانیه) حرکت میکند، میتوان فاصله تا ماهواره را محاسبه کرد.
حالا فرض کنید فاصلهتان تا یک ماهواره مشخص، 20,000 کیلومتر است. این یعنی شما روی یک کرهی فرضی به مرکز آن ماهواره و به شعاع 20,000 کیلومتر قرار دارید. اگر فاصله تا ماهواره دوم را نیز بدانید، محل شما به دایرهای که از تقاطع آن دو کره با زمین به دست میآید، محدود میشود. با افزودن ماهواره سوم، این محل به فقط دو نقطه میرسد. یکی از این دو نقطه روی زمین است و نقطه دیگر در فضای بیدرور است که گیرنده آن را نادیده میگیرد. اما برای تعیین دقیقتر و همچنین محاسبه ارتفاع، به سیگنال ماهواره چهارم نیاز داریم. به این فرآیند تریانگولاسیون یا مثلثبندی میگویند.
از نقشهخوانی تا کشاورزی هوشمند: کاربردهای متنوع GPS
امروزه GPS فقط برای مسیریابی در خودروها یا پیدا کردن رستوران نیست. این فناوری در بسیاری از زمینهها تحول ایجاد کرده است:
مثال عملی نجاتبخش: تصور کنید یک کوهنورد در جنگلهای متراکم گم شده است. اگر او یک دستگاه مجهز به GPS (مانند تلفن همراه یا دستگاه مخصوص) همراه داشته باشد، میتواند مختصات دقیق خود را بخواند و به تیم نجات اعلام کند. تیم نجات نیز با وارد کردن همان مختصات در دستگاه خود، مستقیماً به سمت او هدایت میشوند. این کار در گذشته ساعتها یا روزها زمان میبرد.
کشاورزی مدرن: تراکتورهای مجهز به GPS میتوانند با دقت سانتیمتر در خطوط مشخص شده حرکت کنند. این نه تنها از هدررفت بذر و کود جلوگیری میکند، بلکه باعث میشود تراکتورها مسیرهای تکراری را طی نکنند و در مصرف سوخت صرفهجویی شود. این روش کشاورزی دقیق نام دارد.
| حوزه فعالیت | کاربرد GPS | مزیت اصلی |
|---|---|---|
| حمل و نقل و لجستیک | ردیابی ناوگان کامیونها، بهینهسازی مسیر | کاهش هزینه سوخت و زمان تحویل |
| علوم زمین | مطالعه حرکت صفحات تکتونیکی، پیشبینی زلزله | ایمنی اندازهگیری جابجاییهای میلیمتری زمین |
| ورزش و تفریح | گامشمارهای هوشمند، ثبت مسیر دوچرخهسواری | تحلیل عملکرد و تعیین مسافت طی شده |
| مدیریت شهری | مکانیابی خودکار وسایل نقلیه عمومی | اطلاعرسانی دقیق زمان رسیدن اتوبوس به ایستگاه |
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاورقی
1 GPS: مخفف Global Positioning System (سامانه مکانیابی جهانی).
2 طول جغرافیایی (Longitude).
3 عرض جغرافیایی (Latitude).
4 Space Segment.
5 Control Segment.
6 Triangulation.
7 GLONASS: Globalnaya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema (سامانه ماهوارهای ناوبری جهانی روسیه).
8 Galileo: سامانه ناوبری ماهوارهای تحت مدیریت اتحادیه اروپا.
9 BeiDou: نام سامانه ناوبری ماهوارهای چین.
